小型磁選態銫原子鐘產品化進展

陳 江 馬 沛 王 驥 郭 磊 馬寅光 崔敬忠 楊 煒 涂建輝劉志棟 成大鵬 朱宏偉 鄭 寧 黃良育 楊 軍 高 瑋 董鵬玲

(蘭州空間技術物理研究所，真空技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州 730000)

1 引 言

1967年，第十三屆國際計量大會通過了原子秒的定義，將秒定義在了133Cs原子的兩個基態超精細能級的躍遷上[1]，磁選態銫原子鐘(以下簡稱銫鐘)就是實現這種躍遷的設備。

銫鐘的研制難度非常大，中國從其研制到產品化經歷了整整半個世紀。1966年，啟動小銫鐘的研制[2]；1982年，成功研制出樣機，性能與HP5061A相當，但存在故障率較高、壽命較短的問題[3]，其中壽命問題是由于倍增器的增益衰減過快引起的。2006年，啟動高性能銫鐘的研制，目標是將性能提升至HP5071A水平，且徹底解決壽命短的問題；2015年，突破包括單束束光學優化、長壽命MgO膜層制備等在內的全部關鍵技術，研制出長壽命高性能銫鐘[4]。2016年，正式啟動高性能銫鐘的產品化工作。

產品化的一項重要內容是生產線的建設。2016年，完成了銫束管封裝系統等設備的改造與升級，具備了年產5臺銫鐘的能力；2017年，完成了銫束管裝配線的建設，實現了年產10臺銫鐘的能力；2018年，完成了頻標電路裝配線及調試線的建設，實現年產20臺銫鐘的能力；2019年完成了集裝配、調試及測試于一體的第一條銫鐘生產線，年產可達到30臺銫鐘。

然而，對于銫鐘更關注產品化過程中其他方面的內容，即產品的性能、可靠性和壽命[3,5]。作為一級頻率標準，對銫鐘的一個基本要求是其頻率準確度和穩定度要高，另一個要求是能夠長期連續運行。而長期連續運行對銫鐘的可靠性和倍增器壽命同時提出了要求。

本文將對銫鐘產品化過程中關注的銫鐘的指標測試情況，可靠性及倍增器壽命和評估方法作簡要介紹。

2 銫鐘指標測試

產品的性能包括兩個方面的內容：一是指標的好壞，對銫鐘這些指標包括準確度、穩定度、溫度系數及磁敏感度等；二是指標的一致性，如秒穩到萬秒穩的指標是否在某個區間之內等。交付銫鐘一致性對比曲線如圖1所示，Allan方差穩定性測量數據見表1。

圖1 交付銫鐘的Allan方差及一致性對比曲線圖Fig.1 Allan variance curves and consistency comparison of delivered cesium atomic clocks

表1 交付銫鐘的Allan方差穩定性測量數據Tab.1 Allan variances stability data of delivered cesium atomic clocks銫鐘編號1s10s100s103s104s105s5071A標準型≤1.2E-11≤8.5E-12≤2.7E-12≤8.5E-13≤2.7E-13≤8.5E-145071A優質型≤5.0E-12≤3.5E-12≤8.5E-13≤2.7E-13≤8.5E-14≤2.7E-140014.4E-124.0E-121.2E-123.2E-139.6E-144.4E-140023.6E-122.4E-127.4E-132.0E-138.5E-141.5E-140036.7E-125.9E-121.7E-125.8E-131.7E-135.7E-140046.7E-123.4E-128.1E-132.3E-136.3E-142.7E-140054.6E-122.7E-127.7E-132.6E-137.1E-141.9E-140062.8E-123.2E-127.4E-132.3E-138.0E-142.7E-140076.6E-123.6E-121.0E-123.9E-131.1E-133.6E-14

續表1銫鐘編號1s10s100s103s104s105s0084.7E-123.0E-121.1E-123.5E-131.5E-137.1E-140096.1E-123.8E-121.5E-124.7E-131.4E-13—0106.3E-124.5E-121.3E-123.9E-132.0E-13—0116.2E-125.2E-121.3E-124.6E-131.7E-13—0124.8E-123.5E-128.3E-132.4E-137.9E-142.7E-14

為便于比較，圖3和表1分別給出了標準型和高性能型(優質型)5071A銫鐘的指標[6]。從圖3可以看出，產品的性能指標優于5071A標準型。部分指標達到了高性能型。主要是由于產品采用了以下方案和技術。

1)物理部分采用單束光學方案，即只有一束銫原子進入微波腔完成躍遷，該方案可以利用微波腔中微波磁場的均勻區域，從而消除Ramsey牽引[7]；

2)銫鐘電路采用了數字技術，對重要參數如C場電流等實時優化，特別對倍增器電壓實時調節以保證輸出信號電流是穩定的。

由于產品的實測指標介于5071A標準型和高性能型之間，所以指標的一致性非常好。主要由于在產品生產時采取了以下措施。

1)對零部件及部組件在選用之前進行測試，對不達標的零部件及部組件堅決淘汰；

2)嚴格按照真空工藝對部組件進行清洗及烘烤；

3)嚴格按照固化的工藝文件裝配銫束管和電路；

4)電路采用模塊化設計，模塊連線使用標準接插件。

產品的準確度、溫度系數及磁敏感度等指標的測試與一致性情況如下。

1)準確度優于5E-12，這是由于頻率綜合器采用了48位的DDS，頻率調節的分辨率可達2.8E-7Hz；

2)溫度系數優于3E-14/℃，這是由于在伺服算法中使用參數優化算法補償溫度引起的微波頻率、微波功率參數漂移；

3)磁敏感度優于3E-14/Gs，主要是采用了多層磁屏蔽技術。

3 銫鐘的可靠性

銫鐘的可靠性始終是產品化過程中的關注點之一[5]。在電子倍增器的壽命問題未解決之前，可靠性問題并不突出；壽命問題解決之后，可靠性問題就顯現出來了。

可靠性問題主要體現在銫鐘電路的故障率較高，這與電路的復雜性有關。銫鐘電路需要為銫束管提供分辨率達到E-7Hz水平的微波激勵信號、5種精確可調的電壓電流信號以及兩種低噪聲可調高壓源、需要采集銫束管輸出的nA級微弱電流信號，在此基礎上用伺服算法控制壓控晶振，完成環路閉鎖。要滿足上述要求使得銫鐘電路頗為復雜，故帶來可靠性問題。

可能發生的故障和相應的措施主要有：在產品化初期，交付用戶的產品中有部分出現了失鎖現象。經排查發現是微波系統9 192MHz壓控振蕩器發生了錯鎖，通過擴大微波鏈路RF壓控振蕩器頻率范圍，降低了壓控靈敏度，消除了發生錯鎖的隱患。交付用戶的產品中還出現過離化絲電源失效的情況，通過更改設計，增加輸出級功率冗余，解決了問題。此外還出現過銫爐電源波動、整機入鎖失敗等其它故障，通過更改設計后這些問題全部解決。三年來產品化過程中出現的主要故障見表2。

表2 銫鐘產品化過程中出現的故障現象和解決措施Tab.2 Failure phenomena and solutions in the process of commercialization of cesium atomic clock序號故障現象解決措施1微波模塊失鎖更換VCO型號,降低壓控靈敏度2銫爐電源波動更改銫爐控制端,增加上拉電阻3離化絲電源失效更改離化絲電源設計,提高設計裕度4整機入鎖失敗修改軟件,調整參數掃描閾值5輸出模塊同步失效修改硬件,增加輸入保護電路

銫鐘不僅在實驗室環境得到應用，而且在其他環境，如溫度范圍超過10℃的環境中也得到很好的應用，希望將其推廣應用至更復雜的環境下，如車載、機載或艦載，或復雜的電磁、鹽霧環境下等。這些環境條件不僅可能影響產品的指標，而且有可能使產品的靠性降低，以至于出現故障。為了進一步提高可靠性，有必要開展環境適應性方面的工作。

首先，通過振動試驗，發現了銫束管內部檢測器和鈦泵兩個部組件的薄弱環節，針對薄弱環節重新設計了部組件中存在的懸臂結構，此外根據振動試驗結果對整機也進行了力學加固，在上述基礎上產品通過了GJB150A規定公路運輸(三級公路卡車運輸級隨機振動)試驗，試驗現場情況如圖2所示；其次，為了適應更寬的溫度范圍，進行了熱學仿真及實際紅外攝影識別薄弱環節，通過機箱布局調整改善了散熱路徑，目前整機可在0℃～50℃范圍正常工作，如圖3所示；此外，按照GJB 151B-2013陸軍地面測試項目，開展了7項EMC試驗：CE102，RE102，RS103，CS101，CS114，CS115，CS116，最終全部通過，試驗現場如圖4所示。最后，進行了其他試驗，包括低氣壓、高低溫存儲、霉菌試驗等，通過這些試驗識別出機箱內部開放式布局模塊存在風險，采取了噴涂三防漆、增加密封手段等措施降低了風險。通過上述環境試驗改進了設計，進一步提高了銫鐘的可靠性。

圖2 銫鐘振動試驗現場Fig.2 Field diagram of vibration test of cesium atomic clock

圖3 銫鐘紅外攝影熱成像圖Fig.3 Thermal imaging of cesium atomic clock by infrared photography

圖4 銫鐘7項EMC試驗現場Fig.4 Seven EMC tests had been carried out for cesium atomic clock

在使用過程中，通過用戶反饋及時解決發現的問題。三年來產品性能和質量不斷提升。雖然交付產品數量逐年增長，但故障率持續下降，由開始的超過50%降至現在的10%，預計未來將低于5%。

4 電子倍增器壽命

電子倍增器將銫束管pA量級的信號電流放大至近百nA級輸出，這種放大作用是由其內部打拿極表面的MgO膜層提供的。放大能力由膜層的二次發射系數描述[8]，二次發射系數越大，倍增器的放大倍數(增益)將越高。倍增器正常工作時，二次發射系數將不斷下降，當下降到某一特定值時，放大電流就不足于鎖定電路中的晶振，這段時間就是倍增器的壽命。長期以來，國內研制的倍增器由于二次發射系數下降過快，使得銫鐘壽命很短，往往只有幾個月。

由于MgO容易與空氣中的水蒸氣及CO2反應從而影響了膜層的二次電子發射性能[9,10]，因此應盡可能減小倍增器暴露空氣的時間。然而在銫束管的裝配過程中，暴露空氣是不可避免的，所以最根本的解決方法是提高MgO膜的化學穩定性。Y.Morimoto等人發現致密性好的MgO膜擁有較好的化學穩定性及抗腐蝕性能[11]。由于磁控濺射鍍膜方法工藝成熟，容易實現膜層的致密化，因此國內啟動了采用該方法制備MgO膜層的研究，并最終成功，從而解決了倍增器壽命短的問題。

前文提出通過增加電子倍增器的電壓調節功能，提高了銫鐘的性能，此外它還帶來另一個好處：電子倍增器的壽命可以評估了。當MgO膜層的二次發射系數下降時，倍增器的放大倍數相應下降，為了彌補下降，電路將提高倍增器的電壓。這樣，當銫鐘工作時，隨著倍增器放大倍數的不斷減小，其電壓將不斷上升，如圖5所示，從而使倍增器壽命的評估成為可能。

圖5 銫鐘正常工作時倍增器電壓持續上升Fig.5 The voltage of the multiplier keeps rising when cesium atomic clock works

當測得倍增器每天電壓增幅，可根據式(1)得到近似評估倍增器的壽命[4]

(1)

式中：T——銫鐘壽命；V2——是電路可提供的最大電壓；V1——倍增器的起始工作電壓；ΔV——電壓每天增幅。

根據式(1)，評估了2010～2015年研制銫鐘的壽命，見表3。評估結果給出了國產高性能銫鐘關鍵技術攻關時倍增器壽命的進展情況。

當倍增器每天電壓增幅進入小量時，將出現一個新現象。從起始電壓開始，電壓不增反降，經過一段時間(一般為1個月到半年)后倍增器電壓降到最低，然后才開始近似線性上升，如圖6所示。這種電壓下降是由于倍增器正常工作時，轟擊在MgO膜層表面的電子會將表面吸附的氣體雜質不斷去除，從而新鮮膜層逐漸顯露引起的。過去之所以

表3 2010～2015年倍增器壽命評估結果及進展情況Tab.3 Life assessment results and progress of multiplier in 2010～2015時間2010年2011年2012年2013年2014年2015年電壓每天增幅/V221386.61.80.2倍增器壽命2個月3個月5個月半年2年10年

沒觀察到這種現象，是由于電壓上升太快將此現象掩蓋了。完整的壽命評估公式應當修改如下

(2)

式中：T1——電壓下降階段持續的天數；V0——電壓在下降階段的最低點；V2——最大電壓；ΔV——電壓每天增幅。

根據式(2)，對交付產品的倍增器壽命進行了評估，平均壽命約為8年。

圖6 壽命突破后倍增器電壓在銫鐘正常工作時變化曲線圖Fig.6 Curve of voltage changes of multiplier after its life breakthrough

需要指出的是銫鐘壽命不僅取決于倍增器，還取決于如裝銫量等其他因素。銫鐘正常工作時，每年消耗約1g銫，為了匹配倍增器8年的壽命，新版銫鐘裝銫量超過了8g，這樣新版銫鐘的壽命估計為8年。但對于高性能型銫鐘，銫的消耗量增加了，每年超過1.5g，因此對于高性能型銫鐘，預計其壽命為5年。

5 結束語

本文介紹了銫原子鐘產品化過程中關注的指標測試、可靠性進展及倍增器壽命評估等內容。在產品化過程中還包括如何縮短建線周期、把握市場需求、降低生產成本、將技術研發與產品開發以及平臺開發分離等很多問題，有待進一步探索。